(57)【要約】【課題】  汎用性を有し、圧力や温度、媒体の種類の広い範囲にわたって大きな変更を要さない流量計の複合技術と流量測定方法を提供すること。【解決手段】  流量計は、可撓性を有する膜と接続されたセンサを備えている。これらのセンサは、周囲の温度、圧力、媒体の流量を検出するものとされている。流量を検知する方法は、可撓性を有する膜を配する段階と、この膜に複数のセンサを接続する段階と、周囲の温度、圧力、媒体の流量をこれらのセンサで検出する段階とを備えている。流量検知システムは、流量計と、演算増幅器と、閉ループ制御部とを備えている。センサはホイートストンブリッジ状に接続されている。演算増幅器はホイートストンブリッジと接続され、媒体の圧力の代表値とされる圧力信号を出力する。閉ループ制御部は演算増幅器と接続され、演算増幅器前後の電圧を０とするように発熱体を介してブリッジの抵抗体に流れる電流を制御している。【選択図】  図２
2005121631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する膜と、
複数のセンサとを備え、
前記複数のセンサの少なくとも一つが、前記膜に動作可能に接続され、前記複数のセンサの少なくとも一つが周囲の温度を検出するものとされ、前記複数のセンサの少なくとも一つが媒体の圧力を検出するものとされ、かつ、前記複数のセンサの少なくとも一つが媒体の流量を検出するものとされていることを特徴とする流量計。
【請求項２】
請求項１に記載の流量計であって、
前記媒体が、気体、液体、混合物、及び、スラリーのうちの少なくとも一つであることを特徴とする流量計。
【請求項３】
請求項１に記載の流量計であって、
空間部を有するウェハと、
基板とをさらに備え、
前記ウェハが前記基板に装着され、前記ウェハの備える前記空間部が前記基板に覆われ、前記空間部上に少なくとも前記ウェハの一部が前記膜を有して配されていることを特徴とする流量計。
【請求項４】
請求項３に記載の流量計であって、
前記ウェハ及び前記基板の少なくとも一つがシリコンを備えていることを特徴とする流量計。
【請求項５】
請求項１に記載の流量計であって、
絶縁層をさらに備え、
前記絶縁層が前記複数のセンサのうち少なくとも一つと前記膜との間に配されていることを特徴とする流量計。
【請求項６】
請求項５に記載の流量計であって、
前記絶縁層が酸化シリコンを備えていることを特徴とする流量計。
【請求項７】
請求項１に記載の流量計であって、
前記複数のセンサが少なくとも抵抗体を備えていることを特徴とする流量計。
【請求項８】
請求項１に記載の流量計であって、
前記複数のセンサが少なくとも４つの抵抗体を備え、
これら４つの抵抗体が、互いに動作可能に接続されてホイートストンブリッジを構成していることを特徴とする流量計。
【請求項９】
請求項１に記載の流量計であって、
圧力検出に適用される前記少なくとも一つのセンサが、前記媒体の圧力に応じた前記膜の撓みを検出するものとされていることを特徴とする流量計。
【請求項１０】
請求項１に記載の流量センサであって、
周囲の温度の検出に適用される前記少なくとも一つのセンサが、他の前記複数のセンサから絶縁して配されていることを特徴とする流量計。
【請求項１１】
請求項１に記載の流量計であって、
前記媒体の流量検出に適用される前記少なくとも一つのセンサが、定常温度式風速計を備えていることを特徴とする流量計。
【請求項１２】
請求項１に記載の流量計であって、
前記複数のセンサが、可撓性を有する前記膜に動作可能に接続されていることを特徴とする流量計。
【請求項１３】
請求項１に記載の流量計であって、
導管内に装着されていることを特徴とする流量計。
【請求項１４】
媒体の流量を検知する方法であって、
可撓性を有する膜を配する段階と、
複数のセンサを有し、少なくとも一つのセンサを前記膜に動作可能に接続する段階と、
前記複数のセンサの少なくとも一つのセンサで周囲の温度を検出する段階と、
前記複数のセンサの少なくとも一つのセンサで周囲の圧力を検出する段階と、
前記複数のセンサの少なくとも一つのセンサで前記媒体の流量を検出する段階と、
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の媒体の流量を検出する方法であって、
前記媒体が、気体、液体、混合物、及び、スラリーのうちの少なくとも一つを備えていることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の媒体の流量を検出する方法であって、
空間部を有するウェハを配する段階と、
基板を配する段階と、
前記ウェハの少なくとも一部が可撓性を有する前記膜を含む前記空間部上に配して、前記ウェハ内の前記空間部を前記基板で覆うように、前記ウェハを前記基板に装着する段階と、
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の媒体の流量を検出する方法であって、
前記複数のセンサのうちの少なくとも一つのセンサと可撓性を有する前記膜との間に絶縁層を配する段階をさらに備えていることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１４に記載の媒体の流量を検出する方法であって、
前記複数のセンサが、少なくとも４つの抵抗体を備え、
該少なくとも４つの抵抗体をホイートストンブリッジ回路として配する段階をさらに備えていることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１４に記載の媒体の流量を検出する方法であって、
前記複数のセンサのうちの前記媒体の圧力を検出する少なくとも一つのセンサによって、前記膜の撓みを検出する段階をさらに備えていることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１４に記載の媒体の流量を検出する方法であって、
前記複数のセンサのうち周囲の温度を検出する前記少なくとも一つのセンサを、他の前記複数のセンサから離間させ、かつ、抵抗値が周囲の温度を表すものとされた、周囲の温度を検出する前記少なくとも一つのセンサの抵抗値を計測する段階をさらに備えていることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１４に記載の媒体の流量を検出する方法であって、
前記複数のセンサの少なくとも一つのセンサで前記媒体の流量を検出する段階が、
前記媒体の流量を検出する前記複数のセンサの前記少なくとも一つのセンサを発熱体によって所定の温度に維持する段階と、
前記発熱体を流れる電流値を、前記媒体の流量を代表する電流値として計測する段階と、をさらに備えていることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１４に記載の媒体の流量を検出する方法であって、
前記複数のセンサを可撓性を有する前記膜に動作可能に接続する段階をさらに備えていることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１４に記載の媒体の流量を検出する方法であって、
前記媒体の周囲の温度と周囲の圧力とのうちの少なくとも一つによって、前記複数のセンサのうち前記少なくとも一つのセンサで検出した流量を補正する段階をさらに備えていることを特徴とする方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気のようなガス媒体の流量を計測する流量計に関し、より詳しくは、圧力、温度、流量といったガス媒体の様々な特性の計測に好適とされて流量測定精度を向上させる流体センサの複合技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス媒体の流量計測に際して基本的に３つの方法が広く知られている。第一の方法は、オリフィス前後の圧力差を検知して流速を求める方法である。第二の方法は、定常温度式風速計（constant temperature anemometer）と呼ばれる温度センサを用いて媒体の速度に依存する温度変化を調べる方法である（例えば、特許文献１参照。）。第三の方法は、変位センサを用い、ガスの流れによって一部のセンサに生じる機械的な変位を検出する方法である。
【０００３】
これらの方法には、それぞれ固有の利点・欠点がある。第一の方法の場合、一般的に、２つの圧力センサと流れ中の抵抗体とを要する。もっぱら温度変動による圧力変化を補正するために温度センサが配される。しかしながら、通常、複数の種類のセンサを要することによって故障率やコストが上昇する。そのため、第一の方法は、実際には限られた状況においてのみ用いられる。
【０００４】
他の２つの方法の場合、複数の種類のセンサは不要であるが、他の欠点を備えている。典型的なものとしては、温度センサは低い流量で使用される一方、位置センサは比較的高い流量で使用される。流れの状態に対して最適な流量センサを選択するためには、計測される媒体の環境に係る特性と同様に、予測計測範囲や、温度及び圧力といった媒体の潜在的な物理特性の詳細な知識を要する。したがって、温度センサ又は変位センサの何れかを使用する際には、適用する範囲に応じてカスタマイズさせる必要がある。
【０００５】
流量の計測に係る従来の方法は、専用センサを離間して配して行う。これらのセンサは、互いに十分離間した位置に配されるので、外部ワイヤ及び／又は接続機器が必要になってシステムのサイズやコスト、配設場所が増大してしまう。
さらに、ほとんどの流量計が流量計測時に温度や圧力の影響に対する補正をしていない。従って、そのような計測は、広い範囲にわたって不正確なものとなってしまう。
【特許文献１】米国特許第６、４７０、７４１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、汎用性を有し、圧力や温度、媒体の種類の広い範囲にわたって大きな変更を要さない流量計の複合技術と流量測定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、物理的条件の広い範囲にわたって温度や圧力、流量を計測するために熱及び位置の両方を検出する流量計の複合技術と流量測定方法を提供することを目的とする。
【０００８】
さらに、本発明は、温度や圧力といった物理的特性を同時に又は順次的に特徴付けて流量測定の補正を行い、流量計測精度をより向上させることができる流量計の複合技術と流量測定方法を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、複数種類のセンサを一つの筐体内に組み込むことによって、センサに必要なサイズやコスト、スペースを抑える流量計の複合技術と流量測定方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、センサの製造を簡素化する流量計の複合技術と流量測定方法を提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、必要な外部ワイヤや補助用接続機器を十分削減する流量計の複合技術と流量測定方法を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、流量計測の際の環境因子の影響を十分に抑える流量計の複合技術と流量測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
いくつかの好ましい形態を含む本発明に係る流量計は、可撓性を有する膜と、複数のセンサとを備えていることを特徴とする。これら複数のセンサは可撓性の膜と作用的に接続されている。これらのセンサのうち少なくとも一つは、周囲の温度や圧力、媒体の流量を検出するものとされている。
【００１４】
いくつかの好ましい特徴的構成を含む本発明に係る媒体の流量検出方法は、可撓性を有する膜と、可撓性の膜と作用的に連結された、複数のセンサのうちの少なくとも一つのセンサとを配して、該センサによって周囲の温度や圧力、媒体の流量を検出する方法であることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る検知システムは、流量計と、演算増幅器と、閉ループ制御部とを備えていることを特徴とする。複数のセンサは、周囲の温度や圧力、ガス媒体の流量を計測するためのホイートストンブリッジとして作用的に接続された少なくとも４つの抵抗体を備えている。演算増幅器は、ホイートストンブリッジと作用的に接続され、媒体の圧力の代表値を圧力信号として出力する。閉ループ制御部は、演算増幅器と選択可能に接続され、演算増幅器への入力電圧が実質的に０となるように、発熱体を介してホイートストンブリッジにおける１つの抵抗体の電流を制御している。閉ループ制御部の出力は、媒体の流量の代表値とされている。
【００１６】
本発明に係るこれらの及び他の目的や、形態、有利な効果については、添付図面を参照しながら具体的な実施形態についての以下の詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
媒体の流量を計測するためには、その単位時間当たりの体積又は質量に加えて、温度や圧力といった物理的特性値が、精度向上のために使用される。本発明に係る流量計の複合技術は、気体や液体、スラリー、混合物、及びこのような種類のもの、特に空気の流量を計測するものとされている。センサは、筐体を一定温度に維持するための電流値を検出し、同時に、或いは連続的に検出された温度や圧力情報に基づいて電流値を補正するものとされている。
【００１８】
ウェハ１６上に配されたホイートストンブリッジを有する流量計１０の最良の形態に係る上面図を図１に示す。ホイートストンブリッジは、４つの抵抗体とされる検知素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４とを好適に備え、少なくとも媒体の流量（Ｑ）、圧力（Ｐ）、温度（Ｔ）を計測するものとされている。媒体の流れ方向はセンサを横断する方向とされ、図１、図２、図５ａ、図５ｂにおいては矢印Ａで示す方向とされる。
【００１９】
図１はまた、膜１２上で、少なくとも圧力を測定可能な歪ゲージとして、又は、温度計測可能な温度センサとしての機能を有する４つの抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４との好適な配置を示す。歪ゲージとして使用する場合、抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を完全なブリッジとして配することが好ましい。このとき、抵抗体Ｒ１とＲ４とは、膜又はダイアフラム１２の端部近傍に配され、抵抗体Ｒ２とＲ３とは、膜１２の中央部に配されることが好ましい。
【００２０】
図２に示すように、膜１２は、計測された媒体の絶対圧に対して変位可能な可撓性を有する表面として、ウェハ１６内に形成された空間部１４を好適に覆って配されている。この変位が、歪ゲージとして機能する抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４によって検出される。
【００２１】
抵抗体Ｒ１、Ｒ４は、媒体の圧力の増加に応じて膜１２が伸び変形することによって正の伸びを示し、又は、引っ張られることが好ましい。一方、抵抗体Ｒ２、Ｒ３は、媒体の圧力の増加に応じて膜１２が縮み変形することによって負の伸びを示し、又は、圧縮されることが好ましい。
【００２２】
伸びを検知する抵抗体Ｒ１、Ｒ４は、完全なホイートストンブリッジにおける補正を単純化するために、縮みを検知する抵抗体Ｒ２，Ｒ３と等価に設計されている。これらの伸びの等価性は、例えば、コンピュータモデリング及び／又はモデルによって決められる膜１２上の抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の配置によって得られることが好ましい。
【００２３】
抵抗体Ｒ１、Ｒ３、Ｒ２、Ｒ４の変形によって、ブリッジ回路から計測可能な出力信号が出力される。図１に示すように、抵抗体Ｒ１、Ｒ４は、その長手方向が流れＡの方向と略平行方向とされて長手軸方向に配されているのが好ましい。抵抗体Ｒ２、Ｒ３は、その長手方向が流れＡの方向と略直交する方向又は交差する方向とされて配されているのが好ましい。しかしながら、抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、本発明の範囲内で膜１２上でどのような方向及び／又は位置に配されても構わない。
【００２４】
ホイートストンブリッジの少なくとも一部が媒体の質量流量を計測するための定常温度風速計とされているのが好ましい。流量計測時、抵抗体Ｒ１は熱膜検知素子とされ、抵抗体Ｒ２は温度検知素子とされ、抵抗体Ｒ３、Ｒ４が温度の変化に不動なものとされて完全なブリッジ回路とされているのが好ましい。
【００２５】
抵抗体Ｒ２は、流量計測値を補正するために周囲の温度を計測するものとされているのが好ましい。抵抗体Ｒ２はまた、本発明に係る流量圧力温度（ＱｐＴ）検出機器として全般的な温度計測素子とされている。
【００２６】
ホイートストンブリッジは、図１や図２、図４に示すＲ５のような、所望の抵抗値を産出可能なトリミング用抵抗体をさらに備えていることが好ましい。これらのトリミング用抵抗体は、ホイートストンブリッジの枝路の不均衡によって生じる電圧のオフセットを補正するために使用されるのが好ましい。
【００２７】
図４は、信号処理部１１と作用的に接続された本発明に係る流量計１０を備える流量検知システムの好ましい実施形態を示す。図４に示す信号処理部１１は、本発明に係る流量計１０が計測されたデータの処理にどのように利用されて有利な効果が認識され得るかを示す一例であり、信号処理部１１が本発明や他の発明の適用範囲に制約されることを示すものではない。
【００２８】
抵抗体Ｒ１を加熱するために電流が発熱体２２に印加され、抵抗体Ｒ１と周囲の温度との温度差が略一定に維持されることが好ましい。一定の温度差とするために必要な抵抗体Ｒ１の電流量は、流量の計測に使用され、閉ループ制御部３２の出力に反映されることが好ましい。抵抗体Ｒ２は、温度を百分率で示すＰＴ１０００型白金温度センサとされていることが好ましい。
【００２９】
本発明に係る流量センサの構造を示すＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）について説明する。ＭＥＭＳとは、微小製造技術を用いて普通のシリコン基板上に機械的要素と電気的要素とを組み合わせて配することをいう。電子回路部は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）、バイポーラ、又はＢＩＣＭＯＳ（Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor）といったＩＣ（Integrated Circuit）プロセスを使用して製作されることが好ましい。微小機械部は、シリコンウェハの一部をエッチング処理し、又は、機械的及び電気的デバイスを新しく積層させるマイクロマシンプロセスと等価な製造方法によって製作されることが好ましい。
【００３０】
本発明に係る流量計１０は、シリコンプレーナ技術や米国特許第５，１４４，８４３号明細書に記載されたものに類似するマイクロマシン技術によって製作されることが好ましい。図１及び図２に示すように、流量計１０の一つの機能部品は薄いシリコン膜１２であって、等方性又は異方性ウェットエッチングプロセスによってバルクシリコンをエッチングして形成されている。抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、膜１２上で処理され、媒体の圧力を表示する出力信号を最適化可能にデザインされて配されることが好ましい。
【００３１】
抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）又はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）プロセスによってウェハ１６上に処理されて層状に形成されることが好ましい。この層、すなわち、抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、白金、ニッケル／クロム、又は、ドープした多結晶シリコンから製造されるのが好ましい。写真印刷技術によって抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の大きさを決めることが好ましい。電気的絶縁層２０は、酸化シリコンで形成され、膜１２から抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を離間させるものとされていることが好ましい。
【００３２】
抵抗体又は熱膜検知素子Ｒ１の下部領域は、図１及び図２に示すように、抵抗とされる発熱体２２が配されていることが好ましい。発熱体２２は、白金又は多結晶シリコンの薄いフィルム層として抵抗体Ｒ１の下側に配されていることが好ましい。発熱体２２は、絶縁層２０によって表側が抵抗体Ｒ５と絶縁されていることが好ましい。発熱体２２はまた、酸化シリコンから製造される別の絶縁層２４によって裏側が半導体チップ又はウェハ１６から絶縁されていることが好ましい。
【００３３】
図２に示すように、ウェハ１６はウェハ接着技術によって基板２６に装着されていることが好ましく、図３に示すように、個々のデバイス又はチップ２７にウェハ１６と基板２６とがカッティングされていることが好ましい。図２に示すように、基板２６は、ウェハ１６の受動的な機械的支持台とされてその上に部品が処理され、ウェハ１６との間で空間部１４を形成するものとされている。ウェハ１６と基板２６とは、何れもシリコンから製造されることが好ましい。ウェハ接着技術は、空間部１４が吸引されて圧力Ｐ０がほとんど０に等しい圧力とされる真空下で行われることが好ましい。
【００３４】
空間部１４は、膜１２の撓みに応じて抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４による圧力計測を可能としていることが好ましい。空間部１４はまた、流量測定の間、ウェハ１６と抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４との間と同様に、抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４それぞれを断熱している。このようにして、抵抗体Ｒ１における熱は対流によって媒体の流れに直接伝達される。従って、圧力と温度との間の交差感度が除去され、精度の向上に供される。
【００３５】
図４に示すような流量計１０の完全ブリッジ形態において、熱膜検知素子たる抵抗体Ｒ１が、図１及び図２に示す発熱素子２２によって流量計測中加熱されて、略３００℃に維持されることが好ましい。流量計として抵抗体Ｒ１を使用しない場合、Ｒ１の下に配された発熱体２２を切って、好ましくは８ミリ秒間周囲の温度で冷却させることが好ましい。上述したように、他の抵抗体Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は膜１２によって熱膜検知素子抵抗体Ｒ１と断熱されていることが好ましい。膜１２の形状と大きさとは、レンジや感度といった使用状況の要求によって決めることが好ましい。
【００３６】
発熱体２２は、抵抗体Ｒ１の下に配設されて層２４によって抵抗体Ｒ１と絶縁された白金層を備えている。発熱体２２は、ホイートストンブリッジの他の部品から離間した状態でウェハ１６の端部に電気的に接続されて配設されていることが好ましい。
【００３７】
周囲の温度は、破線４８で示されるように、好ましくは制御部４２によって制御されるスイッチ３０Ａ、３０Ｂを使用して、抵抗体Ｒ２で直接計測されるのが好ましい。スイッチ３０Ａ、３０Ｂは、抵抗体Ｒ２をホイートストンブリッジ回路の他の抵抗体と接続する場合と、電圧源４６と並列に接続する場合とを選択可能とされている。抵抗体Ｒ２は、マルチプレクサ３６を通してアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３８に入力される節点Ｂの電圧を測定する。制御部４２は、周囲の温度測定に応じたＡＤＣ３８から得られる電圧に対応したデジタル値を使用することが好ましい。
【００３８】
図４に示すように、抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、トリミング用抵抗体Ｒ５を有するホイートストンブリッジと接続されるていることが好ましい。抵抗体Ｒ１とＲ４とは、節点Ｐ１にて接続され、抵抗体Ｒ３とＲ４とは、節点Ｐ４にて接続され、抵抗体Ｒ１とＲ５とは、節点Ｐ３にて接続され、抵抗体Ｒ２とＲ３とは節点Ｐ２にて接続されている。電源４４は、節点Ｐ１、Ｐ２と並列に接続されていることが好ましい。
【００３９】
節点Ｐ３、Ｐ４は、演算増幅器２８の＋入力端子又は−入力端子の何れかにそれぞれ接続されていることが好ましい。演算増幅器２８の出力端子は、破線４８で示されるように制御部４２と接続されたスイッチ３４を介して閉ループ制御部３２と接続されている。演算増幅器２８の出力端子はまた、制御部４２によって制御されるマルチプレクサ３６を介してＡＤＣ３８と接続されている。
【００４０】
閉ループ制御部３２の出力端子は、抵抗体Ｒ１を所望の温度に維持する発熱体２２に電流を選択的に供給する電流源４４と接続されていることが好ましい。閉ループ制御部３２の出力端子はまた、制御部４２によって制御されるマルチプレクサ３６を介してＡＤＣ３８の入力側に接続されていることが好ましく、これによって制御部４２は媒体の流量を選択的に監視する。
【００４１】
本発明に係るセンサは、温度（Ｔ）、圧力（Ｐ）、流量（Ｑ）を順次多重化して測定することが好ましい。これらの測定段階のうちの第一の段階は、抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４によって室温での圧力を測定するものとされている。
【００４２】
第二の段階は、上述と同様に抵抗体Ｒ２を使用して周囲の温度を計測するものとされていることが好ましい。温度と圧力との測定結果は、温度、圧力、流量間の交差感度の補正に使用される。周囲の温度の影響を最適に補正するために、抵抗体Ｒ２による温度が、熱エネルギー損失を最小化できる周囲の温度と略同一とされることが好ましい。
【００４３】
抵抗体Ｒ２による温度計測結果は、抵抗体Ｒ１から得られる流量測定の補正に使用されることが好ましい。例えば、流量計測中、抵抗体Ｒ１は、略３００℃の一定温度に加熱されることが好ましい。抵抗体Ｒ１の温度は、ホイートストンブリッジによって計測されるＲ１の抵抗値によって判定される。媒体の流れが抵抗体Ｒ１を冷却するため、抵抗体Ｒ１を３００℃に維持するために所定の電流を要する。この電流値が流量を表す。
【００４４】
しかしながら、媒体の流れによる冷却効果と相殺可能な電流値は、周囲の温度に依存する。例えば、周囲の温度が上昇するにつれて、抵抗体Ｒ１を３００℃に維持するために必要な電流は減少する。そのため、本発明によって測定された周囲の温度は、抵抗体Ｒ１を３００℃に維持するための電流値を補正するために使用される。このことにより、流量測定を周囲の温度によらない状態で行うことができる。
【００４５】
本発明に係る最後の段階では、図１から図３に示すように、抵抗体Ｒ１を加熱するための発熱体２２へ電流を印加して流量測定を行う。室温から所望の温度まで抵抗体Ｒ１の温度を上昇させるために必要な時間は、略１〜５ミリ秒の範囲とされている。
【００４６】
上述のように、抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、媒体の圧力に比例して変化する。この圧力の測定には完全なホイートストンブリッジを使用する。節点Ｐ３とＰ４との間の電圧は、媒体の絶対圧を示し、演算増幅器２８に入力されることが好ましい。そして、演算増幅器２８の出力としての電圧がマルチプレクサ３６に印加され、代表圧力のアナログ信号が選択的にＡＤＣ３８に出力される。ＡＤＣ３８は、このアナログ信号をデジタル化して圧力に相当するデジタル信号を制御部４２に出力する。
【００４７】
制御部４２は、センサの偏りや利得、温度感受性、非線形性、較正係数といったＡＤＣ３８から入力されたパラメータを訂正、補正及び／又は校正するものとされていることが好ましい。これらのパラメータは、好ましくは不揮発性フラッシュメモリといったメモリ４０に組み込まれ、その後の測定に用いられるアルゴリズムの補正に使用可能とされる。
【００４８】
抵抗体Ｒ１と周囲の温度との温度差を一定に維持するための電流値は、流量Ｑの計測に使用される。流量計測の際、好ましくはスイッチ３４は閉じられ、マルチプレクサ３６は、閉ループ制御部３２からの出力をＡＤＣ３８に選択的に出力するものとされている。閉ループ制御部３２は、発熱体２２に印加する電流値、すなわち、抵抗体Ｒ１の抵抗値を制御して、節点Ｐ３、Ｐ４間の電圧を略０に維持することが好ましい。閉ループ制御部３２からの出力は、ＡＤＣ３８にてデジタル化されるために、マルチプレクサ３６を介して制御部４２によって選択される。ＡＤＣ３８からの出力は、流量の代表的なデジタル値として制御部４２に入力される。
【００４９】
図５ａに示すように、流量計１０は、導管５２の分断部に配管内モジュール５０として組み込まれている。付属機器やこれらに接続された付属ワイヤは、モジュール５０の内部及び／又は外部に配されることが好ましい。一方、流量計１０は、図５ｂに示すように、周知の技術によって導管５２の内面に装着され、或いは、導管５２内に懸架されている。流量計１０内の各機器と導管５２の外部の機器との相互接続は、流量計１０の接点５６から導管５２内のオリフィス５８を経由して導管５２の外部に配された機器とを結ぶワイヤ５４を使用して行われる。
【００５０】
それゆえ、本発明に係る流量計の複合技術及び流量計測方法は、汎用性を備えており、実質的な変更を要さずに幅広い範囲の圧力、温度、流量を計測することができる。さらに、本発明に係る流量計及び流量計測方法では、広い範囲にわたって温度や圧力、流量を計測するために熱及び位置の両方を検出する。加えて、流量計の複合技術と流量測定方法は、温度や圧力といったガス媒体の物理的特性を同時に又は順次的に特徴付けて流量測定の補正を行い、流量計測精度をより向上させることができる。
【００５１】
本発明に係る流量計において、すべてのセンサの製造段階を統一することによって、多くのこれらのプロセスを同時に実行させることができる。各センサを一つの筐体内に収納することによって、各センサを別々に配した従来のシステムと比較して機器の製造を簡略化するとともに製造コストを低減することができる。また、複数のセンサを結合することによって、通常外部配線に要求される中間的なスペースをなくして機器の大きさや必要なスペースを減らすことができる。
【００５２】
本発明に係る流量計の小型化によって、反応性や計測バンド幅といった動的特性を向上させることができる。また、同一の機器に複数のセンサを組み込むことによって、従来の複数センサシステムでは冗長性を持たせるために多く必要とされる接続用配線や接続機器を必要とせずに、流量や圧力、温度を代表する信号を多重化することができる。また、複数のセンサを一つの機器内に配することは、複数のセンサを多くの異なる位置に配さなければならない状態と比べて、センサを標準化して環境因子の影響を削減させることができる。
【００５３】
なお、本発明の実施形態を添付図面に示しているが、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、当業者によって本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る流量計の複合技術を示す上面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る流量計の複合技術を示す側面断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る個々のデバイスやチップにカットする前の複数の流量計を配する基板を示す正面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る流量計の複合技術に好適な信号処理部を接続した状態を示すブロック図である。
【図５ａ】本発明の第１の実施形態に係る流量計の複合技術のマウント状態を示す断面図である。
【図５ｂ】本発明の第２の実施形態に係る流量計の複合技術のマウント状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０  流量計
１２  膜
１４  空間部
１６  ウェハ
２０、２４  絶縁層
２２  発熱体
２６  基板
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４  抵抗体
【図１】
2005121631.tif 000003
【図２】
2005121631.tif 000004
【図３】
2005121631.tif 000005
【図４】
2005121631.tif 000006
【図５ａ】
2005121631.tif 000007
【図５ｂ】
2005121631.tif 000008